土壤水蚀不仅引起水土流失,而且会导致严重的生态退化,与人类的生存环境和生态环境演化密切相关。
土壤水蚀主要取决于侵蚀动力因子和抗侵蚀因子两个方面。侵蚀动力因子主要包括降雨量、降雨强度、坡面流及径流强度(流速、切应力等),而抗侵蚀因子主要包括土壤特性(土壤组成、粒径、土壤性质、含水量等)、地形特征(坡度、微地貌等),以及植被覆盖(覆盖率、植被类型等)。
根据侵蚀动力和方式的不同,土壤水蚀一般可分为雨滴溅蚀、面蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切沟侵蚀等多种方式。除雨滴溅蚀是由于雨滴打击和分散作用造成的外,其他侵蚀方式是坡面流及径流不同流动形式造成的。根据坡面流流动发展过程,侵蚀方式不断演化和发展,形成了一个相互联系的侵蚀链,即面蚀(片流侵蚀)、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切沟侵蚀,逐步发展的过程。
溅蚀是指雨滴直接打击土壤表面,使土壤颗粒发生分散和移动的过程。雨滴击溅在水蚀中的作用主要是分离土壤颗粒,进而由坡面水流输送走,其本身的输运能力很小,一般不考虑。但它是坡面土壤侵蚀,特别是片流侵蚀(或细沟间侵蚀)的主要物理过程,坡面流和细沟流输移的大多数土壤颗粒首先要经过雨滴的分散过程。
面蚀是指沿坡面运动的薄层水流对坡面土壤的分散和输移过程。一般在坡面上部没有细沟的区域和下部的细沟间部分,土壤侵蚀以面蚀的方式发生。面蚀的主要根源是雨滴对土壤的分离和坡面流对土壤的分离冲蚀能力,土粒的输运由雨滴和水流共同进行,且坡面片流是沟间地泥沙输移的主要动力。
沟蚀是集中的线状水流对地表侵蚀、切入地面形成侵蚀沟的一种土壤水蚀形式。按其发育的阶段和形态特征又可细分为细沟、浅沟、切沟侵蚀。沟蚀是由面蚀发展而来的,但它显然不同于面蚀,因为一旦形成侵蚀沟,土地即遭到彻底破坏,而且由于侵蚀沟的不断扩展,坡地上的耕地面积就随之缩小,使曾经是大片的土地被切割得支离破碎。
土壤水蚀的研究历史已有半个多世纪,发展了众多模型。这些模型主要可分为经验模型和以侵蚀过程为基础的动力学模型。由于土壤侵蚀涉及的物理过程复杂,影响因素众多,早期的预报模型并不着重其物理过程,而主要通过分析影响因素建立经验关系。最具代表性是20世纪50年代中期,美国学者通过收集大量实测资料,对各因素不同排列组合进行多重回归试验分析,得到的通用土壤流失方程:
式中为单位面积多年平均土壤流失量;
为降雨侵蚀力;
为土壤侵蚀性因子;
为坡长因子;
为坡度因子;
为作物管理因子;
为土壤保持措施因子。
这类经验统计模型,仅能预报特定区域一段时间的总产沙量,无法知道侵蚀过程中相关因素的变化过程。因此,随着侵蚀动力学过程研究的不断深入,越来越多的学者从动力学角度出发,相继开发了一系列基于物理过程的动力学模型。随着人们对土壤水蚀模型研究的不断细化,开始逐步考虑土壤侵蚀空间分布的不均匀性,一些分布式和二维土壤侵蚀模型逐步得到发展和应用。然而物理基础的薄弱仍是土壤水蚀研究尚未完全克服的缺陷,这还需要不断加强侵蚀过程物理机理的研究,发展土壤水蚀理论和完善土壤侵蚀预报模型。